本文關(guān)鍵詞：Zr-Ti二元合金的強(qiáng)韌化及其組織演變

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【摘要】：鋯在地殼中的儲量豐富,且海綿鋯的生產(chǎn)成本接近海綿鈦。鋯的中子吸收截面小、抗輻照、抗腐蝕,在核工業(yè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而,鋯合金除了在核工業(yè)獲得了重要應(yīng)用外,在其它工業(yè)中的應(yīng)用很少,原因是缺乏有效的強(qiáng)韌化途徑和相應(yīng)的制備技術(shù)。以往,空間活動構(gòu)件主要選用各種類型的合金鋼來制造。但合金鋼在空間環(huán)境中服役存在著密度大(難以輕量化)、膨脹系數(shù)大(影響機(jī)構(gòu)精度)、服役壽命不夠長等缺點(diǎn)。鋯合金由于在核工業(yè)大量使用,已證明具有抗空間輻照和原子氧侵蝕的潛質(zhì);它的密度低,具有輕量化潛質(zhì);膨脹系數(shù)低,具有保障空間機(jī)構(gòu)高精度運(yùn)行的潛質(zhì)。因此,鋯合金是在空間環(huán)境中使用非常具有發(fā)展?jié)摿Φ暮辖痼w系。雖然鋯合金在耐輻照和耐腐蝕性上表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能,但傳統(tǒng)的鋯合金普遍強(qiáng)度較低,不足以滿足作為機(jī)構(gòu)材料的要求,因此需要尋找具有高強(qiáng)韌特性的新鋯合金體系。本文以發(fā)展新的鋯合金空間機(jī)構(gòu)材料體系為目標(biāo),以Zr-Ti二元合金為研究對象,系統(tǒng)研究了合金成分與力學(xué)性能、相變和組織演化的規(guī)律,建立了Zr-Ti二元合金的強(qiáng)韌化機(jī)制,找出了具有優(yōu)異力學(xué)性能的Zr-Ti二元合金成分及其制備工藝。鋯和鈦是同族元素,二者之間能形成連續(xù)固溶體,可以在較大的濃度范圍內(nèi)調(diào)整合金成分。在本文中,制備了一系列不同成分的Zr-Ti二元合金,研究了不同狀態(tài)的Zr-Ti二元合金成分與組織和力學(xué)性能之間的變化關(guān)系。通過對鑄態(tài)Zr-Ti二元合金的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得知,合金的強(qiáng)度隨著Ti含量的增加而增加,在Zr-Ti二元合金成分為Zr50Ti50時(shí)達(dá)到最大值1170MPa。Zr-Ti二元合金中的主要強(qiáng)化機(jī)制為固溶強(qiáng)化和組織細(xì)化。對Zr-Ti二元合金的熱軋變形研究發(fā)現(xiàn),Zr50Ti50是具有最佳力學(xué)性能的合金成分。熱軋態(tài)的Zr50Ti50合金強(qiáng)度為1063MPa,斷后延伸率7%。同時(shí)在研究中發(fā)現(xiàn),在熱軋態(tài)Zr50Ti50二元合金中出現(xiàn)了大量的納米孿晶,提高了合金的塑性變形能力。并據(jù)此研究提出了鋯合金中的納米孿晶強(qiáng)化機(jī)制,為鋯合金的強(qiáng)化提供了一個(gè)新的思路,新的手段。利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)對Zr50Ti50二元合金的熱變形行為進(jìn)行了在不同變形溫度,不同應(yīng)變速率下的模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得到了Zr50Ti50二元合金在不同熱變形條件下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。利用實(shí)驗(yàn)得到的熱變形流變曲線,計(jì)算出Zr50Ti50二元合金的熱變形激活能Q=103274.9J/mol,并結(jié)合熱變形后的組織形貌,科學(xué)直觀的分析了Zr50Ti50二元合金的熱變形機(jī)制是以動態(tài)回復(fù)為主。此外,根據(jù)流變曲線的相關(guān)數(shù)據(jù)和動態(tài)材料模型等理論,計(jì)算并得到了Zr50Ti50二元合金的熱變形本構(gòu)方程以及熱加工圖。據(jù)此可以更好的對Zr50Ti50二元合金的熱變形建立模型進(jìn)行模擬,同時(shí)也指出了Zr50Ti50二元合金的最佳熱變形條件以及熱變形失穩(wěn)區(qū)的存在。Zr50Ti50二元合金的最佳熱變形條件是變形溫度在830~850°C,應(yīng)變速率在0.56~1s-1之間在對Zr50Ti50二元合金鍛造后組織和性能的研究中發(fā)現(xiàn),魏氏組織會嚴(yán)重影響鍛態(tài)Zr50Ti50二元合金的性能。通過固溶處理可以有效的消除魏氏組織,明顯改善鍛態(tài)Zr50Ti50二元合金塑性,使合金的斷后延伸率達(dá)到8%。
【關(guān)鍵詞】：鋯鈦合金 熱變形 微觀組織 力學(xué)性能 強(qiáng)化機(jī)制 納米孿晶
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.414
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-28
• 1.1 選題背景及意義12-14
• 1.2 鋯及鋯合金的研究發(fā)展14-18
• 1.2.1 鋯的研究與發(fā)展14-16
• 1.2.2 鋯合金的研究與發(fā)展16-18
• 1.3 鋯合金的制備18-19
• 1.4 鋯合金的結(jié)構(gòu)、相變及微觀組織特征19-27
• 1.4.1 金屬鋯的平衡相變19-20
• 1.4.2 合金元素對金屬鋯的影響20-22
• 1.4.3 鋯合金中的非平衡相變22-24
• 1.4.4 鋯合金常見的微觀組織特征24-27
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容27-28
• 第2章 Zr-Ti二元合金的制備、表征及性能測試方法28-38
• 2.1 新型二元鋯合金合金元素的選擇28-31
• 2.2 Zr-Ti二元合金錠的制備31-33
• 2.3 Zr-Ti二元合金的熱加工工藝方法33-34
• 2.3.1 Zr-Ti二元合金的熱軋制工藝33
• 2.3.2 Zr-Ti二元合金的熱鍛造工藝33-34
• 2.4 Zr-Ti二元合金的熱處理設(shè)備和方法34
• 2.5 Zr-Ti二元合金的相組成及微觀組織觀察與分析34-35
• 2.5.1 物相結(jié)構(gòu)分析34
• 2.5.2 相變溫度測試34-35
• 2.5.3 光學(xué)顯微鏡（OM）組織觀察35
• 2.5.4 SEM和FE-SEM觀察及分析35
• 2.5.5 TEM和HRTEM觀察及分析35
• 2.6 Zr-Ti二元合金力學(xué)性能測試方法35-38
• 2.6.1 室溫拉伸力學(xué)性能測試35-36
• 2.6.2 熱變形模擬測試36
• 2.6.3 硬度測試36
• 2.6.4 熱膨脹分析測試36-38
• 第3章 鑄態(tài)Zr-Ti二元合金力學(xué)性能與組織演變38-53
• 3.1 引言38
• 3.2 實(shí)驗(yàn)材料與成分38-39
• 3.3 鑄態(tài)Zr-Ti二元合金力學(xué)性能與組織結(jié)構(gòu)39-49
• 3.3.1 鑄態(tài)Zr-Ti二元合金物相分析39-42
• 3.3.2 鑄態(tài)Zr-Ti二元合金力學(xué)性能42-44
• 3.3.3 鑄態(tài)Zr-Ti二元合金金相組織觀察44-46
• 3.3.4 鑄態(tài)Zr-Ti二元合金力學(xué)性能強(qiáng)化機(jī)制分析46-49
• 3.4 熱處理對Zr-Ti二元合金相轉(zhuǎn)變的影響49-51
• 3.5 本章小結(jié)51-53
• 第4章 熱軋態(tài)Zr-Ti二元合金力學(xué)性能與組織演變53-82
• 4.1 引言53-54
• 4.2 實(shí)驗(yàn)材料與分析方法54-55
• 4.3 Zr-Ti二元合金高溫 β 相區(qū)的熱軋變形55-61
• 4.3.1 Zr-Ti二元合金相變溫度測試55-56
• 4.3.2 高溫 β 相區(qū)變形后的Zr-Ti二元合金物相分析56-57
• 4.3.3 高溫 β 相區(qū)變形后的Zr-Ti二元合金力學(xué)性能57-59
• 4.3.4 高溫 β 相區(qū)變形后的Zr-Ti二元合金組織觀察和分析59-61
• 4.4 Zr-Ti二元合金的雙相區(qū)熱軋變形61-65
• 4.4.1 雙相區(qū)變形后的Zr-Ti二元合金物相分析62
• 4.4.2 雙相區(qū)變形后的Zr-Ti二元合金力學(xué)性能62-64
• 4.4.3 雙相區(qū)變形后的Zr-Ti二元合金組織觀察和分析64-65
• 4.5 Zr_(50)Ti_(50)二元合金的熱軋變形65-77
• 4.5.1 熱軋變形后的Zr_(50)Ti_(50)二元合金物相分析66-68
• 4.5.2 熱軋變形后的Zr_(50)Ti_(50)二元合金力學(xué)性能68-69
• 4.5.3 熱軋變形后的Zr_(50)Ti_(50)二元合金金相組織觀察和分析69-71
• 4.5.4 熱軋變形后的Zr_(50)Ti_(50)二元合金TEM觀察和分析71-74
• 4.5.5 熱軋變形后的Zr_(50)Ti_(50)二元合金實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論和分析74-77
• 4.6 退火對熱軋態(tài)Zr_(50)Ti_(50)合金的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響77-80
• 4.6.1 退火后Zr_(50)Ti_(50)二元合金相結(jié)構(gòu)77-78
• 4.6.2 退火后Zr_(50)Ti_(50)二元合金組織觀察78-79
• 4.6.3 退火后Zr_(50)Ti_(50)二元合金力學(xué)性能79-80
• 4.7 本章小結(jié)80-82
• 第5章 Zr_(50)Ti_(50)合金的鍛造及其力學(xué)性能與組織演變82-107
• 5.1 引言82-83
• 5.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法83-84
• 5.3 Zr_(50)Ti_(50)二元合金Gleeble熱變形過程中的性能與組織演變84-101
• 5.3.1 熱變形后物相分析84-85
• 5.3.2 Zr_(50)Ti_(50)二元合金應(yīng)力應(yīng)變曲線分析85-88
• 5.3.3 Zr_(50)Ti_(50)二元合金的本構(gòu)方程的建立和熱變形激活能88-94
• 5.3.4 Zr_(50)Ti_(50)熱變形過程中組織演變94-95
• 5.3.5 Zr_(50)Ti_(50)二元合金熱加工圖95-101
• 5.4 鍛造態(tài)Zr_(50)Ti_(50)二元合金組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能101-103
• 5.4.1 鍛態(tài)的Zr_(50)Ti_(50)二元合金物相分析和微觀組織101-102
• 5.4.2 鍛態(tài)的Zr_(50)Ti_(50)二元合金力學(xué)性能102-103
• 5.5 熱處理對鍛造態(tài)Zr_(50)Ti_(50)二元合金的組織和力學(xué)性能影響103-105
• 5.5.1 熱處理后的鍛態(tài)Zr_(50)Ti_(50)二元合金物相分析和微觀組織103-105
• 5.5.2 熱處理后的鍛態(tài)Zr_(50)Ti_(50)二元合金力學(xué)性能105
• 5.6 本章小結(jié)105-107
• 結(jié)論107-109
• 參考文獻(xiàn)109-127
• 攻讀博士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果127-129
• 致謝129-130
• 作者簡介130

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：537587